JP2011220074A - 塔状構造物の制震構造 - Google Patents

Abstract

【課題】支持構造体と被支持構造体とを有する塔状構造物の制震性能を向上させることができる制震構造を提供する。
【解決手段】本発明の塔状構造物の制震構造は、支持構造体２と、支持構造体２によって支持される被支持構造体３とを備えた制震構造であり、被支持構造体３の基部に免震装置５を備えるとともに、被支持構造体３が少なくとも１つの復元装置２０及び振動エネルギー吸収装置２１とを介して支持構造体２に連結されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄塔構造や外筒構造で水平支持される煙突筒身や排気筒などの塔状構造物の制震構造に関する。

従来、鉄塔や外筒などの剛性の高い支持構造体と、この支持構造体によって支持される煙突筒身や排気筒などの構造体（被支持構造体）間の複数の水平支持材の代わりに、オイルダンパーや鋼材ダンパーなどの振動エネルギー吸収装置を配置する制震構造が知られている（例えば特許文献１を参照）。

実開昭６２−１９９４６８号公報

このような制震構造は、支持構造体と被支持構造体とで固有周期や振動モードなどの振動特性が異なるため、地震外力が作用すると両構造体はそれぞれ異なる挙動を呈し、両構造体間に配置した振動エネルギー吸収装置が作動し、振動エネルギーを吸収する。その結果として両構造体の地震応答が低減する効果が得られるが、その効果の程度は、支持構造体と被支持構造体の振動特性やエネルギー吸収装置の特性、配置方法等に大きく依存する。このため、支持構造体及び被支持構造体の振動特性やエネルギー吸収装置の特性、配置方法等の条件によっては上記効果が十分に発揮されず、制震性能が不足する場合があった。また、制震性能が支持構造体又は被支持構造体の一方に偏り、もう一方が十分に制震されない場合があった。

本発明は上記に鑑みてなされたものであって、支持構造体と被支持構造体とを有する塔状構造物の制震性能を向上させることができる制震構造を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明の塔状構造物の制震構造は、支持構造体と、前記支持構造体によって支持される被支持構造体とを備えた塔状構造物の制震構造であって、前記被支持構造体の基部に免震装置を備えるとともに、前記支持構造体の所定位置において、前記被支持構造体が少なくとも１つの復元装置及び振動エネルギー吸収装置とを介して前記支持構造体に連結されていることを特徴とする。

本発明によれば、被支持構造体の固有周期は免震装置により長周期化されるため、地震の揺れに追随せず、入力される地震力（慣性力=質量×加速度）が低減する。一方、支持構造体には地震力はそのまま入力されるが、免震装置を備えた被支持構造体とは振動特性が大きく異なるため、所定位置に設置した振動エネルギー吸収装置が確実に作動し、振動エネルギーを吸収して支持構造体及び被支持構造体の両者の揺れを低減することができる。また基部に免震装置を備えた被支持構造体は柔構造になるが、被支持構造体が復元装置を介して支持構造体に支持されることにより、被支持構造体の倒れこみを抑制することができると共に、免震装置に作用する転倒モーメントの発生を抑制することができる。さらに強風時は、被支持構造体に作用する風荷重を、前記復元装置を介して支持構造体に伝達させることで、被支持構造体の変形を抑制することができる。

また、本発明の塔状構造物の制震構造は、前記復元装置及び前記振動エネルギー吸収装置の少なくとも一端が前記支持構造体の頂部又は前記被支持構造体の頂部に連結されていることを特徴とする。

本発明によれば、被支持構造体の変位の大きい部位に前記復元装置及び前記振動エネルギー吸収装置が配置されるため、より効果的に被支持構造体の揺れを低減することができる。

また、本発明の塔状構造物の制震構造は、前記被支持構造体が前記支持構造体に対して相対的に所定距離水平移動した場合にストッパー部材を介して前記支持構造体と連結されることにより、前記支持構造体に対する前記被支持構造体の水平移動を規制するストッパー機構が、前記搭状構造物の高さ方向の少なくとも一箇所以上に配置されていることを特徴とする。

本発明の塔状構造物の制震構造によれば、強風時の風荷重により前記被支持構造体の基部に備えた免震装置が水平変形もしくは水平移動し、前記被支持構造体全体が所定距離水平方向にスライドした場合に、前記被支持構造体が前記ストッパー部材を介して前記支持構造体と連結され、前記被支持構造体の風荷重が前記支持構造体に伝達されるため、前記被支持構造体全体のスライド変形ならびに前記被支持構造体自身の変形や倒れを抑制することができる。

また、本発明の塔状構造物の制震構造は、前記振動エネルギー吸収装置が、前記被支持構造体が移動した際に、伸び側の振動エネルギー吸収装置と縮み側の振動エネルギー吸収装置とが１組以上となるように、１組以上配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、被支持構造体を中心に前後および左右に１組以上の振動エネルギー吸収装置を設置すると、１組の振動エネルギー吸収装置には伸びる振動エネルギー吸収装置と縮む振動エネルギー吸収装置が必ずあるため、振動エネルギー吸収装置の伸縮方向と被支持構造体の振動方向に違いが生じた場合であっても安定した減衰特性を得ることができる。

また、本発明の塔状構造物の制震構造は、前記復元装置は、前記被支持構造体が移動した際に、伸び側の復元装置と縮み側の復元装置とが１組となるように、１組以上配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、被支持構造体を中心に前後および左右に１組以上の復元装置を設置すると、１組の復元装置には伸びる復元装置と縮む復元装置が必ずあるため、復元装置の伸縮方向と被支持構造体の振動方向に違いが生じた場合であっても安定した復元特性を得ることができる。

また、本発明の塔状構造物の制震構造は、前記振動エネルギー吸収装置としてオイルダンパーが用いられることを特徴とする。

本発明によれば、オイルダンパーからなる振動エネルギー吸収装置を複数配置することで、振動エネルギー吸収装置の伸縮方向と被支持構造体の振動方向に違いが生じた場合であっても安定した減衰特性を得ることができる。また、オイルダンパーにはピストン速度に応じた減衰力が生じるが、ピストンロッド、シリンダーなどの構成部材は、オイルダンパーの最大減衰力をはるかに上回る強度を有している。このため、ピストンロッドが伸びきった後や、最大限度にシリンダーに押込まれた後は、オイルダンパーは、それ以上の相対変位を拘束する能力があり、支持構造体と被支持構造体とを確実に連結することができる。

また、本発明の塔状構造物の制震構造は、前記復元装置がコイルばねから構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、コイルばねからなる復元装置を複数設置することで、復元装置の伸縮方向と被支持構造体の振動方向に違いが生じた場合でも安定した復元力特性を得ることができる。また、コイルばねの荷重・変形特性は、鋼材等に比べ、大きな変形に到るまで線形性が保たれ、しかも、許容できるばねの振幅分コイルばねが縮むとコイルばねは密着し、それ以上の相対変位を拘束することができるため、支持構造体と被支持構造体を確実に連結することができる。

本発明の塔状構造物の制震構造によれば、支持構造体と被支持構造体とを備えた塔状構造物の制震性能を向上させることができる。

図１は、本実施の形態に係る塔状構造物の制震構造の概略構成図である。 図２−１は、図１に示した搭状構造物の頂部付近における概略構成の一例を示す平面図である。 図２−２は、図１に示した搭状構造物の頂部付近における概略構成の他の例を示す平面図である。 図３−１は、図１に示した搭状構造物を所定の高さ位置で水平方向に切断した断面図である。 図３−２は、図３−１のＡ−Ａ線立面図である。 図４−１は、図２−１に示した搭状構造物の被支持構造体の振動方向と復元装置の伸縮方向とが異なる場合の復元装置の挙動を表した図である。 図４−２は、図４−１に示す被支持構造体の移動量に対する復元装置の伸び側角度と縮み側角度の具体的な数値を示した図表である。 図５−１は、制震性能の検討で、図１に示した制震構造を低次元化してモデル化した概念図である。 図５−２は、図５−１に示したモデル諸元を説明する図表である。 図６−１は、制震性能の検討で、従来の制震構造を低次元化してモデル化した概念図である。 図６−２は、図６−１に示したモデル諸元を説明する図である。 図７は、図５−１のモデルと図６−１のモデルの変位応答倍率を示したグラフである。 図８は、図５−１のモデルと図６−１のモデルの絶対加速度応答倍率を示したグラフである。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための形態（以下、実施の形態という）によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、本実施の形態に係る塔状構造物の制震構造の概略構成図であり、図２−１は、図１に示した搭状構造物の頂部付近における概略構成の一例を示す平面図である。本実施の形態に係る制震構造１００で適用対象となる塔状構造物１は、支持構造体２と、支持構造体２によって支持される被支持構造体３とを備えている。支持構造体２は、例えば鉄塔や鋼製外筒等の構造体であり、被支持構造体３の周りを取り囲むように設置される。支持構造体２は、図１及び図２−１に示すように、４本の柱材１３ａと、柱材１３ａ間に所定の間隔で水平に架け渡された水平材１３ｂと、水平材１３ｂ間に斜めに架け渡された斜材１３ｃとからなるトラス型の鉄塔である。

被支持構造体３は、支持構造体２によって支持される煙突筒身や排気筒等であり、図１に示される例では円筒形状をなしている。被支持構造体３と基礎４との間には免震装置５が設置され、この免震装置５によって被支持構造体３が支持されている。免震装置５は、地震や振動によるエネルギーを吸収又は減少させる機能を有する装置であり、荷重を支持し水平方向にスライド機能をもつ支承１０と、復元機能をもつばね１１と、減衰機能をもつダンパー１２とを備えている。図１に示すように、支持構造体２の頂部６において、被支持構造体３は、復元装置２０及び振動エネルギー吸収装置２１によって支持構造体２と連結されている。

本実施の形態では、復元装置２０として、相対変位に比例する力を発揮する線形ばねのひとつであるコイルばねを用いるとともに、振動エネルギー吸収装置２１としてオイルダンパーを用いている。ここで、オイルダンパーとは、たとえば、シリンダー内に封入されたオイル等の液体中でピストンを移動させ、ピストンに設けられたオリフィスを通してオイルを流動させる事によって流体減衰を発揮させるものである。以下では、復元装置２０をコイルばね２０とし、振動エネルギー吸収装置２１をオイルダンパー２１として説明する。

図２−１に示すように、複数のコイルばね２０及び複数のオイルダンパー２１とは、被支持構造体３を中心に支持構造体２の各柱材１３ａに向けて放射状にそれぞれ配置され、これらのコイルばね２０及びオイルダンパー２１によって被支持構造体３が支持構造体２に連結されている。すなわち、図２−１に示すように、被支持構造体３を中心に、被支持構造体３の平面視での前後、左右にそれぞれ１組のコイルばね２０とオイルダンパー２１とが配置されている。なお、図２−１では、説明の便宜上、各コイルばね２０をコイルばね２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄとし、各オイルダンパー２１をオイルダンパー２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄとしている。より詳細には、被支持構造体３の中心は、支持構造体２の４本の柱材１３ａを頂点とする長方形の対角線の交点Ｏ上に位置している。支持構造体２及び被支持構造体３に振動が加えられていない状態及び風等による静荷重を受けていない状態では、各柱材１３ａと被支持構造体３との距離は同じである。図２−１に示す例では、４つのコイルばね２０ａ〜２０ｄとオイルダンパー２１ａ〜２１ｄとによって、被支持構造体３が支持構造体２に連結されている。より詳細には、被支持構造体３の中心Ｏ（柱材１３ａを頂点とする長方形の対角線の交点Ｏ）を通り、互いに直交する２本の軸Ｘ，Ｙを考えた場合、コイルばね２０ａ〜２０ｄ及びオイルダンパー２１ａ〜２１ｄは、Ｘ軸に対して軸対称であり且つＹ軸に対して軸対称となるように配置されている。

なお、図２−１では、４つのコイルばね２０ａ〜２０ｄと４つのオイルダンパー２１ａ〜２１ｄを配置した構成としたが、コイルばね２０とオイルダンパー２１の配置数はこれに限定されるものではなく、支持構造体２の柱材１３ａの本数等に応じて適宜変更することができる。例えば、支持構造体２の柱材１３ａが３本である場合には、コイルばね２０及びオイルダンパー２１の配置数はそれぞれ３つずつとなる。また、図示は省略するが、支持構造体２が外筒の場合においても、コイルばね２０とオイルダンパー２１の配置数は限定されるものではなく、例えば外筒の内壁に所定の間隔をあけてコイルばね２０とオイルダンパー２１とを配置すればよい。

図２−２は、図１に示した搭状構造物の頂部付近における概略構成の他の例を示す平面図である。図２−２に示す例では、被支持構造体３から放射状に４本の片持ち梁１４が張り出している。各片持ち梁１４は、被支持構造体３の円周方向に沿って９０°の間隔をあけて均等に張り出しており、各片持ち梁１４の端部は、それぞれ支持構造体２の柱材１３ａ，１３ａ間の中心に位置している。各片持ち梁１４と支持構造体２の各柱材１３ａとの間には、コイルばね２０及びオイルダンパー２１が配置され、各片持ち梁１４と支持構造体２の柱材１３ａとがコイルばね２０とオイルダンパー２１によって連結されている。すなわち、図２−２に示す例では、８個のコイルばね２０及びオイルダンパー２１を介して、被支持構造体３が支持構造体２に支持されている。なお、図２−２では、説明の便宜上、８個の各コイルばね２０をコイルばね２０ｅ，２０ｆ，２０ｇ，２０ｈ，２０ｉ，２０ｊ，２０ｋ，２０ｍとし、各オイルダンパー２１をオイルダンパー２１ｅ，２１ｆ，２１ｇ，２１ｈ，２０ｉ，２０ｊ，２０ｋ，２０ｍとしている。図２−２に示す例においても図２−１に示した例と同様に、被支持構造体３の中心Ｏを通り、互いに直交する２本の軸Ｘ，Ｙを考えた場合に、コイルばね２０ｅ〜２０ｍ及びオイルダンパー２１ｅ〜２１ｍはＸ軸とＹ軸との両方に対して軸対称となるように配置される。

次に、上記構成を有する制震構造１００の作用について説明する。本実施の形態の制震構造１００が地震に遭遇すると、被支持構造体３の固有周期は、免震装置５により本来の固有周期に比べ更に長周期化するため、地震の揺れに追随しなくなり、入力される地震力が低減する。これは、地面から被支持構造体３に伝達される力が、免震装置５のばね１１の変形に比例する力と、免震装置５のダンパー１２の速度に比例する力とに限定されるためである。一方、支持構造体２には地震力がそのまま加わるが、高剛性の支持構造体２と免震装置５を備えた被支持構造体３とでは、固有周期や振動モードなどの振動特性が大きく異なるため、支持構造体２と被支持構造体３とはそれぞれ異なる挙動を呈する。このため、オイルダンパー２１に作用する速度が増幅し、支持構造体２と被支持構造体３との間に設置したオイルダンパー２１を確実に作動させることができる。オイルダンパー２１が作動すると、振動エネルギーが熱エネルギーに変換されて吸収されるため、支持構造体２と被支持構造体３の両者の揺れを抑制することができる。

ただし、オイルダンパー２１は速度に比例する力には対抗できるが、速度のない静的な力には対抗できない。このため風荷重などの静的な力に対しては、支持構造体２と被支持構造体３との間に設置したコイルばね２０が相対変位に比例する力で対抗し、被支持構造体３に加わった風荷重を支持構造体２に伝達させることができる。その結果として、風荷重など静的な力に対しても被支持構造体３の変形を抑制することができる。また、免震装置５を備えた被支持構造体３は柔構造になるが、被支持構造体３がコイルばね２０を介して支持構造体２に支持されることにより、柔構造化した被支持構造体３の傾きによる倒れなどを支持構造体２に伝えて支持させる役割をはたすことができる。

なお、オイルダンパー２１にはピストン速度に応じた減衰力が生じるが、ピストンロッド、シリンダーなどの構成部材は、オイルダンパーの最大減衰力をはるかに上回る強度を有している。このためピストンロッドが伸びきった後や、最大限に押込まれた後は、オイルダンパー２１は、それ以上の相対変位を拘束する能力を有しており、支持構造体２と被支持構造体３との間を一定の間隔で保持することができる。

また、コイルばね２０は、予め所定のプレテンション又はプレロードをかけて被支持構造体３と支持構造体２との間に配置される。被支持構造体３に振動が加わると被支持構造体３はある振幅で振動するが、この振幅の最大値を予め設定しておき、当該最大値以上に被支持構造体３が振動した場合に、それ以上コイルばね２０が伸縮するのを拘束してもよい。これにより、コイルばね２０は、支持構造体２と被支持構造体３の間を一定の間隔で保持することができる。例えば、コイルばね２０として密着コイルばねを用い、密着コイルばねにプレテンションをかけて被支持構造体３と支持構造体２との間に配置した場合、上記最大値以上に被支持構造体３が振動することにより密着コイルばねは密着する。その結果、支持構造体２と被支持構造体３との間は一定の間隔で保持される。

さらに、上述したコイルばね２０及びオイルダンパー２１に加えて、以下に説明するストッパー機構７を搭状構造物１に設置することで、風荷重などの静的な力に対する被支持構造体３の変形をさらに抑制することができる。図３−１は、図１に示した搭状構造物１を所定の高さ位置で水平方向に切断した断面図であり、図３−２は、図３−１のＡ−Ａ線立面図である。図３−１に例示されるストッパー機構７は、支持構造体２の所定の高さ位置において隣接する柱材１３ａ同士を連結する４本の水平材１３ｂと、被支持構造体３から放射状に張り出す４本の片持ち梁１５と、各水平材１３ｂ上に配置される８個の束材（ストッパー部材）１７とを備えている。

被支持構造体３から張り出す各片持ち梁１５は、それぞれ支持構造体２の柱材１３ａ間を連結する水平材１３ｂに対して直交するように配置されている。また、各片持ち梁１５は、水平材１３ｂとの間にわずかな隙間をあけた状態で、水平材１３ｂの上方を交差するように配置されている。束材１７は、水平材１３ｂ上において、片持ち梁１５から所定距離（以下「クリアランス１６」とよぶ）を採って、片持ち梁１５の両側に１つずつ取り付けられている。図３−１に示すように、束材１７は、水平面内における直交する二方向への片持ち梁１５の移動を規制するストッパー部材としての機能を有している。クリアランス１６は、地震時に生じる被支持構造体３と支持構造体２との相対変位を超える広さ（距離）に設定されている。

また、片持ち梁１５が水平材１３ｂの上方を交差して張り出した長さは、クリアランス１６より長くなっている。すなわち、支持構造体２と被支持構造体３が動かない通常の状態では、支持構造体２と被支持構造体３とは切離されているが、例えば被支持構造体３がクリアランス１６分だけ水平移動すると、被支持構造体３から張り出した片持ち梁１５が、支持構造体２の水平材１３ｂに取り付けた束材１７に接触し、これにより被支持構造体３の水平移動が規制されるようになっている。上記のように構成されるストッパー機構７は、搭状構造物１の高さ方向の少なくとも一箇所以上に設置されるのが好ましい。

次に、上記構成を有するストッパー機構７の作用について説明する。図３−１及び図３−２に示すクリアランス１６として、上記のように地震時に支持構造体２と被支持構造体３との間に生じる相対変位を超える広さ（距離）を採ると、地震時の被支持構造体３は、支持構造体２から切離された状態が維持される。このため、地震時において被支持構造体３の固有周期は免震装置５により確実に長周期化され、地震の揺れに追随しなくなり、入力される地震力が低減する。一方、支持構造体２には地震力がそのまま加わるが、被支持構造体３とは図１に示すようにコイルばね２０とオイルダンパー２１のみで連結され、他の箇所での連結がないため、被支持構造体３とは振動特性が大きく異なることになり、オイルダンパー２１が確実に作動して、支持構造体２と被支持構造体３の両者の揺れを抑制することができる。

一方、風荷重などの静的な力によって被支持構造体３の基部に備えた免震装置５が水平方向に変形又は移動した場合、被支持構造体３は基部より全体が水平にスライドするが、クリアランス１６の広さ（距離）だけスライドすると片持ち梁１５が束材１７に接触することにより、被支持構造体３に作用した静的力が支持構造体２に伝達される。その結果、被支持構造体３全体のスライド変形をさらに抑制することができる。この場合、スライド変形の大半は免震装置５の水平変形が占めるため、ストッパー機構７を搭状構造物１の高さ方向に複数箇所備えることで、被支持構造体３自身の変形や倒れを効果的に抑制することができる。

図４−１は、図２−１に示した搭状構造物の被支持構造体の振動方向とコイルばねの伸縮方向とが異なる場合のコイルばねの伸縮状況を表した図である。図４−１において、４本のコイルばね２０ａ〜２０ｄは、支持構造体２及び被支持構造体３に振動が加えられていない状態及び風等による静荷重がかけられていない状態（以下、通常状態とよぶ）において、破線で示すようにそれぞれ取付け長Ｌで被支持構造体３と柱材１３ａとの間に配置されている。図４−１では、被支持構造体３が、破線で示した通常状態の位置からコイルばね２０に対し４５°の角度でΔだけ相対移動した場合の伸び側のコイルばね２０ａ，２０ｂ及び縮み側のコイルばね２０ｃ，２０ｄの変形状態が示されている。また、図４−２は、図４−１に示す被支持構造体３の移動量Δに対する伸び側のコイルばね２０ｂの角度（伸び方向角度）と縮み側のコイルばね２０ｄの角度（縮み方向角度）の具体的な数値例を示した図表である。ここで、伸び方向角度と縮み方向角度とは、被支持構造体３の移動方向と、それに伴い伸長あるいは収縮するコイルばね２０ｂ，２０ｄの方向とのなす角度である。

上記条件におけるコイルばね２０ｂ，２０ｄの伸縮状況について以下に説明する。図４−１に示すように被支持構造体３の相対移動方向とコイルばね２０ｂ，２０ｄの伸縮方向とが異なる場合、被支持構造体３が一定量のΔだけ移動するのに対し、伸び側のコイルばね２０ｂの伸び量と縮み側のコイルばね２０ｄの縮み量とは異なってくる。これは、被支持構造体３の相対移動に対し、伸び側のコイルばね２０ｂの伸び方向角度Ａと縮み側のコイルばね２０ｄの縮み方向角度Ｂとが異なるためであり、被支持構造体３の移動量Δが大きくなるほどその差は大きくなる。しかし、図４−２に示すように、例えば被支持構造体３の移動量Δが１０ｃｍ、１５ｃｍ、２０ｃｍ、２５ｃｍ、３０ｃｍである場合、各移動量Δにおいて伸び方向角度Ａと縮み方向角度Ｂとを平均すると、移動前の角度である４５°にほぼ一致する。

すなわち、本実施の形態では、被支持構造体３を中心に複数のコイルばね２０が設置されるが、各コイルばね２０は、任意の方向に被支持構造体３が変位したときに略同等の力を受けるように対称性よく配置されている。たとえば、図２−１に示すように、被支持構造体３の中心Ｏを通り、互いに直交する２本の軸Ｘ，Ｙを考えた場合、コイルばね２０ａ〜２０ｄは、Ｘ軸とＹ軸との両方に対して軸対称となるように配置されている。その結果、コイルばね２０ａ〜２０ｄの伸び方向角度Ａと縮み方向角度Ｂの角度の変化の差異が相殺されるため、どの方向に変位しても同等の復元力を得ることができ、安定したばね特性を得ることができる。

図４−１ではコイルばね２０ａ〜２０ｄを例として説明したが、オイルダンパー２１ａ〜２１ｄについても同じであり、複数のオイルダンパー２１ａ〜２１ｄは、任意の方向に被支持構造体３が変位したときに略同等の力を受けるように対称性よく配置されている。そのため、オイルダンパー２１ａ〜２１ｄの伸縮方向と被支持構造体３の振動方向に違いが生じた場合でも、同等の減衰力を得ることができ、安定した減衰特性を得ることができる。

［制震性能の検討］
次に、上述した制震構造の制震性能について説明する。鉄塔（支持構造体２）で支持された煙突筒身（被支持構造体３）を例に、本実施の形態の制震構造と従来の制震構造の周波数伝達特性を求め、以下のように比較して制震性能を検討した。

（１）検討モデル
図５−１は、本検討を行うにあたって本実施の形態の制震構造をモデル化した図であり、図５−２は、図５−１に示したモデル諸元を説明する図表である。図５−１においてＭ１は支持構造体２である鉄塔の頂部高さで基準化した１次振動の一般化質量であり、Ｋ１は自立した鉄塔の１次振動数ｆｓ１＝１．３Ｈｚと上記Ｍ１とから算定した等価剛性である。Ｃ１は、鉄塔の１次の減衰定数ｈｓ１＝０．０２と上記Ｍ１、Ｋ１から算定した等価減衰係数である。また、Ｍ２は被支持構造体３である筒身の頂部高さで基準化した１次振動の一般化質量であり、Ｋ２は筒身の１次振動数ｆｃ１＝０．３Ｈｚと上記Ｍ２とから算定した等価剛性である。Ｃ２は、筒身の１次の減衰定数ｈｃ１＝０．０２と前記Ｍ２、Ｋ２から算定した等価減衰係数である。また、Ｍ３は、筒身の基部に設けた免震装置５における支承１０の基盤の質量であり、５ｍ×５ｍ×１ｍのＲＣ造と仮定したものである。Ｋ３は免震装置５の水平ばね定数で、上記Ｍ２＋Ｍ３の質量に対し免震振動数ｆａ１＝０．１５Ｈｚとして算定したものである。Ｃ３は免震装置の減衰係数であり、Ｍ２＋Ｍ３とＫ３とからなる振動系の減衰定数をｈａ１＝０．３として算定したものである。

図６−１は、従来の制震構造をモデル化した図であり、図６−２は、図６−１に示したモデル諸元を説明する図である。図６−１において、Ｍ１，Ｋ１，Ｃ１は、図５の鉄塔モデルと同じであり、Ｍ２，Ｋ２，Ｃ２は、図５の筒身モデルと同じである。

（２）検討方法
図５−１のＭ１とＭ２との間には、ばね定数Ｋ１２のコイルばね２０と減衰係数Ｃ１２のオイルダンパー２１を１組配置し、また、図６−１のＭ１とＭ２との間には、減衰係数Ｃ１２のオイルダンパー２１を１つ配置した。そして、周波数の異なる正弦波地動に対するＭ１、Ｍ２の変位応答倍率と絶対加速度応答倍率を求めた。また、条件としてＭ１とＭ２の最大変位応答倍率がほぼ同じレベルになるＫ１２，Ｃ１２を選定するものとし、鉄塔と筒身の両者に対し同等の制震性能が生じる状態をベースとした。ここで、変位応答倍率とは、地動最大変位に対する支持構造体２の最大変位の倍率及び被支持構造体３の最大変位の倍率である。また、加速度応答倍率とは、地動最大加速度に対する支持構造体２の絶対加速度最大値（地動加速度＋応答加速度の最大値）の倍率及び被支持構造体３の絶対加速度最大値の倍率である。

（３）検討結果
地動に対する鉄塔（支持構造体２）と筒身（被支持構造体３）の変位応答倍率と地動振動数との関係を、本実施の形態の制震構造と従来の制震構造とを比較して図７に示す。また、地動に対する鉄塔と筒身の絶対加速度応答倍率と地動振動数との関係を図８に示す。

図７に示されるように、本実施の形態の制震構造による鉄塔及び筒身の最大変位応答倍率は、従来の制震構造による鉄塔及び筒身の最大変位応答倍率の最大値に比べて低減している。また、図８に示されるように、本実施の形態の制震構造による鉄塔及び筒身の最大加速度応答倍率は、従来の制震構造による鉄塔及び筒身の最大加速度応答倍率に比べて低減している。以上より、本実施の形態の制震構造は、従来の制震構造と比べて制震性能が向上することが分かる。

以上説明したように、本実施の形態に係る塔状構造物の制震構造によれば、被支持構造体３は免震装置５により長周期化されるため、地震の揺れに追随せず、入力される地震力（慣性力=質量×加速度）が低減する。一方、支持構造体２には地震力はそのまま入力されるが、免震装置５を備えた被支持構造体３とは振動特性が大きく異なるため、支持構造体２の頂部６に設置した振動エネルギー吸収装置２１が確実に作動し、振動エネルギーを吸収して支持構造体２と被支持構造体３の両者の揺れを低減できる。また、基部に免震装置５を備えた被支持構造体３は柔構造になるが、復元装置２０を介して被支持構造体３の頂部付近が支持構造体２によって支持されることから、被支持構造体３の倒壊を抑制することができると共に、免震装置５に作用する転倒モーメントの発生を抑制することができる。さらに強風時は、被支持構造体３に作用する風荷重が、復元装置２０を介して支持構造体２に伝達され、被支持構造体３の変形を抑制することができる。

また、本実施の形態に係る塔状構造物の制震構造では、支持構造体２が被支持構造体３の周りを取り囲むように設置されるとともに、振動エネルギー吸収装置２１をオイルダンパーで構成し、被支持構造体３を中心に平面視で前後及び左右に１組以上のオイルダンパー２１を配置している。

このように、被支持構造体３を中心に前後および左右に１組以上のオイルダンパー２１を設置すると、１組のオイルダンパー２１には伸びるオイルダンパーと縮むオイルダンパーが必ずあるため、振動エネルギー吸収装置の伸縮方向と被支持構造体３の振動方向に違いが生じた場合であっても安定した減衰特性を得ることができる。また、オイルダンパー２１にはピストン速度に応じた減衰力が生じるが、ピストンロッド、シリンダーなどの構成部材は、最大減衰力をはるかに上回る強度を有している。このため、ピストンロッドが伸びきった後や、最大限度にシリンダーに押込まれた後は、それ以上の相対変位を拘束する能力があり、支持構造体２と被支持構造体３とを確実に連結することができる。

たとえば、図２−１において、被支持構造体３が左側に移動した場合には、左上の縮み側オイルダンパー２１ｄと、それに対向する右下の伸び側オイルダンパー２１ｂとが組となり、左下の縮み側オイルダンパー２１ｃと、それに対向する右上の伸び側オイルダンパー２１ａとが組となる。また、たとえば、図２−１において、被支持構造体３が上側に移動した場合には、左上の縮み側オイルダンパー２１ｄと、それに対向する右下の伸び側オイルダンパー２１ｂとが組となり、右上の縮み側オイルダンパー２１ａと、それに対向する左下の伸び側オイルダンパー２１ｃとが組となる。その結果、オイルダンパー２１ａ〜２１ｄの伸縮方向と被支持構造体３の振動方向に違いが生じた場合でも安定した復元力特性を得ることができる。

また、たとえば、図２−２において、被支持構造体３が左側に移動した場合には、左上の縮み側オイルダンパー２１ｍと、このオイルダンパー２１ｍが連結される片持ち梁１４を挟んで対向する（すなわち被支持構造体３の移動方向の直線上に配置された）右上の伸び側オイルダンパー２１ｅとが組となり、左下の縮み側オイルダンパー２１ｉと、このオイルダンパー２１ｉが連結される片持ち梁１４を挟んで対向する右下の伸び側オイルダンパー２１ｈとが組となる。また、たとえば、図２−２において、被支持構造体３が上側に移動した場合には、左上の縮み側オイルダンパー２１ｋと、このオイルダンパー２１ｋが連結される片持ち梁１４を挟んで対向する左下の伸び側オイルダンパー２１ｊとが組となり、右上の縮み側オイルダンパー２１ｆと、このオイルダンパー２１ｆが連結される片持ち梁１４を挟んで対向する右下の伸び側オイルダンパー２１ｇとが組となる。その結果、オイルダンパー２１ｅ〜２１ｍの伸縮方向と被支持構造体３の振動方向に違いが生じた場合でも安定した復元力特性を得ることができる。

また、本実施の形態に係る塔状構造物の制震構造では、支持構造体２が被支持構造体３の周りを取り囲むように設置されるとともに、復元装置２０をコイルばねで構成し、被支持構造体３を中心に平面視で前後及び左右に１組以上のコイルバネ２０を配置している。

このように、１組のコイルバネ２０には伸びるコイルバネと縮むコイルバネとが必ずあるため、復元装置２０の伸縮方向と被支持構造体３の振動方向に違いが生じた場合でも安定した復元力特性を得ることができる。また、コイルばね２０の荷重・変形特性は、鋼材等に比べ、大きな変形に到るまで線形性が保たれ、しかも、許容できるばねの振幅分コイルばね２０が縮むとコイルばね２０は密着し、それ以上の相対変位を拘束することができるため、支持構造体２と被支持構造体３とを確実に連結することができる。

たとえば、被支持構造体３が図４−１に示すように左側に移動した場合には、左上の縮み側コイルばね２０ｄと、それに対向する右下の伸び側コイルばね２０ｂとが組となり、左下の縮み側コイルばね２０ｃと、それに対向する右上の伸び側コイルばね２０ａとが組となる。また、例えば、被支持構造体３が図４−１において上側に移動した場合には、左上の縮み側コイルばね２０ｄと、それに対向する右下の伸び側コイルばね２０ｂとが組となり、右上の縮み側コイルばね２０ａと、それに対向する左下の伸び側コイルばね２０ｃとが組となる。その結果、コイルばね２０ａ〜２０ｄの伸縮方向と被支持構造体３の振動方向に違いが生じた場合でも安定した復元力特性を得ることができる。

また、たとえば、図２−２において、被支持構造体３が左側に移動した場合には、左上の縮み側コイルばね２０ｍと、このコイルばね２０ｍが連結される片持ち梁１４を挟んで対向する（すなわち被支持構造体３の移動方向の直線上に配置された）右上の伸び側コイルばね２０ｅとが組となり、左下の縮み側コイルばね２０ｉと、このコイルばね２０ｉが連結される片持ち梁１４を挟んで対向する右下の伸び側コイルばね２０ｈとが組となる。また、たとえば、図２−２において、被支持構造体３が上側に移動した場合には、左上の縮み側コイルばね２０ｋと、このコイルばね２０ｋが連結される片持ち梁１４を挟んで対向する左下の伸び側コイルばね２０ｊとが組となり、右上の縮み側コイルばね２０ｆと、このコイルばね２０ｆが連結される片持ち梁１４を挟んで対向する右下の伸び側コイルばね２０ｇとが組となる。その結果、コイルばね２０ｅ〜２０ｍの伸縮方向と被支持構造体３の振動方向に違いが生じた場合でも安定した復元力特性を得ることができる。

さらに、本実施の形態に係る塔状構造物の制震構造では、被支持構造体３が支持構造体２に対して相対的に所定距離水平移動した場合に束材１７（ストッパー部材）を介して支持構造体２と連結されることにより、支持構造体２に対する被支持構造体３の水平移動を規制するストッパー機構７が、搭状構造物１の高さ方向の少なくとも一箇所以上に配置されている。具体的には、図３−１に示すように、支持構造体２の柱材１３ａ間に架け渡される水平材１３ｂと、水平材１３ｂに直交する態様で被支持構造体３から張り出す片持ち梁１５と、水平材１３ｂ上において、片持ち梁１５と所定のクリアランス１６を採った位置に取り付けられる束材１７とを有するストッパー機構７が、搭状構造物１の高さ方向の少なくとも一箇所以上に配置されている。

このように、被支持構造体３と支持構造体２との間にストッパー機構７を設けることで、静的風荷重により被支持構造体３の基部に備えた免震装置５が水平移動し、被支持構造体３全体が水平にスライドした場合に、被支持構造体３から張り出す片持ち梁１５が水平材１３ｂ上の束材１７に接触して、被支持構造体３の風荷重が支持構造体２に伝達されるため、被支持構造体３全体のスライド変形ならびに被支持構造体３自身の変形や倒れを抑制することができる。また、クリアランス１６を地震時に生じる被支持構造体３と支持構造体２との相対変位を超える広さにすることで、地震時の被支持構造体３の免震装置５による長周期化を保持できるため、制震性能を確保することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば本実施の形態では、免震装置５を、荷重を支持し水平方向にスライド機能をもつ支承１０と、復元機能をもつばね１１と、減衰機能をもつダンパー１２とで構成したが、これに替えて、これらの機能を全て有する鉛プラグ入り積層ゴムを免震装置５として用いることもできる。また支承機能と復元機能を併せ持つ天然ゴム系積層ゴムとオイル系ダンパーや鋼材系ダンパーとを組み合わせたものを免震装置５として用いることもできる。さらに、引き抜き力に対抗できるレール式スライダーを２方向に組合せ、支承としてもよいし、コロやベアリングを支承とし、引き抜き力に対抗する装置を別途設けてもよい。

また、本実施の形態では、復元装置２０として、相対変位に比例する力を発揮する線形ばねの一つであるコイルばねを用いたが、板ばね等の他の線形ばねを用いてもよく、また、非線形のばねであっても、変形が大きくなると降伏する等の特性が設計的に信頼できるものであれば、復元装置２０として用いてもよい。

また、本実施の形態では、振動エネルギー吸収装置２１として、速度に比例する力に対向できるオイルダンパーを用いたが、速度のべき乗に力が比例するダンパーを用いてもよい。また、粘性系ダンパーとしては、オイルダンパーの他に、粘性ダンパーや粘弾性ダンパー等を用いてもよい。また、所定荷重に達すると荷重・変形特性が変化する鋼材ダンパー、鉛ダンパー等の履歴系ダンパー又は摩擦系ダンパー等を用いてもよく、その特性が設計的に信頼できるものであれば、これらを振動エネルギー吸収装置２１として用いてもよい。

また、本実施の形態では、支持構造体２の頂部６において、被支持構造体３が復元装置２０と振動エネルギー吸収装置２１とを介して支持構造体２に連結されている構成としたが、必ずしも支持構造体２の頂部６である必要はなく、支持構造体２において頂部６よりも下方位置に復元装置２０及び振動エネルギー吸収装置２１を配置し、この復元装置２０と振動エネルギー吸収装置２１とを介して被支持構造体３を支持構造体２に連結してもよい。本実施の形態では、支持構造体２の頂部６のみで被支持構造体３を支持した構成としたが、支持構造体２の複数箇所に同様にして復元装置２０及び振動エネルギー吸収装置２１を配置し、複数箇所で被支持構造体３を支持してもよい。

また、本実施の形態では、被支持構造体３から片持ち梁１５を支持構造体２の水平材１３ｂに対し直交するように張り出し、支持構造体２の水平材１３ｂには、それぞれ片持ち梁１５から一定のクリアランス１６を採って、片持ち梁１５の左右の位置に１組の束材１７を取り付けることでストッパー機構７を構成したが、支持構造体２から片持ち梁１５を張り出し、被支持構造体３側に束材１７を取り付けることでストッパー機構７を構成してもよい。すなわち、支持構造体２に対して被支持構造体３が相対的にクリアランス１６分だけ水平移動するとストッパーとしての役割をはたすことができる構成であれば、本実施の形態に限定するものではない。

１ 搭状構造物
２ 支持構造体
３ 被支持構造体
５ 免震装置
６ 頂部
７ ストッパー機構
１０ 免震装置の支承
１１ 免震装置のばね
１２ 免震装置のダンパー
１３ａ 柱材
１３ｂ 水平材
１４ 片持ち梁
１５ 片持ち梁
１６ クリアランス
１７ 束材（ストッパー部材）
２０ 復元装置
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ コイルばね（復元装置）
２０ｅ，２０ｆ，２０ｇ，２０ｈ，２０ｉ，２０ｊ，２０ｋ，２０ｍ コイルばね（復元装置）
２１ 振動エネルギー吸収装置
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ オイルダンパー（振動エネルギー吸収装置）
２１ｅ，２１ｆ，２１ｇ，２１ｈ，２１ｉ，２１ｊ，２１ｋ，２１ｍ オイルダンパー（振動エネルギー吸収装置）
１００ 制震構造

Claims (7)

1. 支持構造体と、前記支持構造体によって支持される被支持構造体とを備えた塔状構造物の制震構造であって、
   前記被支持構造体の基部に免震装置を備えるとともに、前記被支持構造体が少なくとも１つの復元装置及び振動エネルギー吸収装置とを介して前記支持構造体に連結されていることを特徴とする塔状構造物の制震構造。
2. 前記復元装置及び前記振動エネルギー吸収装置の少なくとも一端が前記支持構造体の頂部又は前記被支持構造体の頂部に連結されていることを特徴とする請求項１に記載の塔状構造物の制震構造。
3. 前記被支持構造体が前記支持構造体に対して相対的に所定距離水平移動した場合にストッパー部材を介して前記支持構造体と連結されることにより、前記支持構造体に対する前記被支持構造体の水平移動を規制するストッパー機構が、前記搭状構造物の高さ方向の少なくとも一箇所以上に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の塔状構造物の制震構造。
4. 前記振動エネルギー吸収装置は、
   前記被支持構造体が移動した際に、伸び側の振動エネルギー吸収装置と縮み側の振動エネルギー吸収装置とが１組以上となるように、１組以上配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の塔状構造物の制震構造。
5. 前記復元装置は、
   前記被支持構造体が移動した際に、伸び側の復元装置と縮み側の復元装置とが１組となるように、１組以上配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の塔状構造物の制震構造。
6. 前記振動エネルギー吸収装置としてオイルダンパーが用いられることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の塔状構造物の制震構造。
7. 前記復元装置がコイルばねから構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の塔状構造物の制震構造。
   
   

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